Effects of equal-channel angular pressing and equal-channel multi-angular pressing on the microstructure and mechanical performance of aluminum strips

Metalle werden selten in ihrer rohen, gegossenen Form verwendet. Um sie stark genug für Flugzeuge, Autos oder Gebäude zu machen, müssen Ingenieure ihre interne Struktur verändern. Stellen Sie sich einen Metallblock als eine Ansammlung winziger Kristalle oder Körner vor, die dicht beieinander liegen. In einem weichen, unbehandelten Stück Aluminium sind diese Körner relativ groß und locker organisiert. Um das Metall härter und stärker zu machen, nutzen Wissenschaftler eine Technik namens „schere plastische Verformung“ (severe plastic deformation). Dies beinhaltet das Pressen des Metalls durch einen begrenzten Raum, ohne seine Gesamtform zu verändern, wobei im Wesentlichen die internen Körner so lange zusammengedrückt werden, bis sie in viel kleinere Stücke zerlegt werden. Je kleiner die Körner sind, desto stärker wird das Metall, da die Grenzen zwischen ihnen als Barrieren wirken, die verhindern, dass das Material leicht verbogen oder gebrochen wird. Dieser Prozess ist entscheidend für Branchen, die leichte Materialien benötigen, die immensen Belastungen standhalten können.

In einer aktuellen Studie untersuchten Forscher zwei spezifische Methoden dieses Pressvorgangs, um zu sehen, welche für dünne Aluminiumstreifen besser funktioniert. Die beiden Methoden sind als „Equal-Channel Angular Pressing“ (gleichkanaliges winkliges Pressen) und „Equal-Channel Multi-Angular Pressing“ (gleichkanaliges mehrwinkliges Pressen) bekannt. Beide beinhalten das Drücken eines Metallstreifens durch eine Matrize oder Form, die sich kreuzende Kanäle aufweist. Der Unterschied liegt im Design: Eine Methode verwendet einen einzelnen Schnittpunkt, während die andere zwei verwendet. Das Team wollte wissen, welches Design die feinste, gleichmäßigste Kornstruktur erzeugen und das stärkste Material resultieren lassen würde. Sie wählten eine gängige, kommerziell reine Aluminiumlegierung, die oft für Isolierungen und die allgemeine Fertigung verwendet wird, und unterzogen sie diesen Prozessen bis zu dreimal, um zu sehen, wie sich das Metall mit jedem Durchgang veränderte.

Die Forscher begannen mit Aluminiumstreifen, die durch Erhitzen in einem Ofen aufgeweicht worden waren – ein Schritt, der die internen Körner groß und gleichmäßig machte. Dann führten sie diese Streifen bei Raumtemperatur durch die zwei verschiedenen Pressen. Die erste Presse, die einkanalige Version, zwang das Metall durch eine scharfe Biegung. Die zweite Presse, die mehrkanalige Version, leitete das Metall durch zwei aufeinanderfolgende Biegungen. Nach jedem Durchgang untersuchte das Team das Metall unter leistungsstarken Mikroskopen und testete, wie viel Kraft es aufnehmen konnte, bevor es brach. Sie maßen auch den Widerstand des Metalls gegen Kratzer, eine Eigenschaft namens Härte, und betrachteten die Oberfläche des Metalls nach dem Bruch, um zu sehen, wie es versagte.

Die Ergebnisse zeigten, dass beide Methoden die großen Körner erfolgreich in viel kleinere zerlegten, aber sie taten dies auf unterschiedliche Weise und mit unterschiedlichem Erfolg. Die einkanalige Presse erwies sich als das aggressivere Werkzeug. Nach drei Durchgängen reduzierte sie die Korngröße von einem Bereich von bis zu acht Mikrometern auf einen Bereich von nur noch 2,24 Mikrometern. Dieser Prozess erzeugte eine Mischung aus sehr feinen Körnern und einigen ultrafeinen, fast nanoskaligen Körnern. Das Metall wurde signifikant stärker und härter. Seine Fähigkeit, Zugkräften zu widerstehen (Zugfestigkeit), stieg um fast 94 Prozent, und sein Widerstand gegen dauerhaftes Verbiegen (Streckgrenze) erhöhte sich um etwa 21 Prozent. Das Metall wurde auch härter beim Berühren, mit einer Härtesteigerung von über 63 Prozent in der Pressrichtung.

Die mehrkanalige Presse verbesserte das Metall ebenfalls, aber die Veränderungen waren weniger dramatisch. Obwohl sie das Korn verfeinerte, blieb die endgültige Größe größer und pendelte sich nach drei Durchgängen bei einem Bereich von bis zu 5,5 Mikrometern ein. Das Metall wurde zwar stärker, mit einer Steigerung der Zugfestigkeit von etwa 129 Prozent und einer Steigerung der Streckgrenze um etwa 31 Prozent, aber der Härtungseffekt war nicht so intensiv wie bei der einkanaligen Methode. Die Härte des Metalls nahm um etwa 54 Prozent in der Pressrichtung zu, was zwar beträchtlich, aber immer noch niedriger als das Ergebnis der einkanaligen Methode war. Die Forscher beobachteten, dass der mehrkanalige Prozess an manchen Stellen zu einer etwas gröberen Struktur führte, wahrscheinlich weil das Metall ein anderes Spannungsverhältnis erlebte, während es sich durch die zwei Biegungen bewegte.

Als das Team untersuchte, wie das Metall brach, fand es klare Beweise für diese internen Veränderungen. Das ursprüngliche, weiche Aluminium brach mit großen, tiefen Vertiefungen auf der Oberfläche, ein Zeichen dafür, dass es sich leicht dehnte und verformte, bevor es riss. Während das Metall bearbeitet wurde, wurden diese Vertiefungen kleiner und flacher. Dieser Wandel deutete darauf an, dass das Metall stärker, aber weniger flexibel geworden war. Das durch die einkanalige Presse bearbeitete Metall zeigte die signifikanteste Reduktion der Vertiefungsgröße, was bestätigte, dass seine interne Struktur am drastischsten verändert worden war. Das Team stellte fest, dass das Metall zwar viel stärker wurde, aber auch etwas von seiner Dehnbarkeit verlor – ein häufiger Kompromiss bei dieser Art der Festigkeitssteigerung.

Die Studie kam zu dem Schluss, dass beide Techniken effektiv zur Verfeinerung der Struktur von Aluminiumstreifen sind, die einkanalige Methode jedoch überlegen ist, wenn es darum geht, maximale Härte und Festigkeit in diesem spezifischen Material zu erreichen. Die einkanalige Presse erzeugte eine gleichmäßigere und feinere Kornstruktur, was zu einem ausgeprägteren Verstärkungseffekt führte. Die mehrkanalige Presse, obwohl immer noch vorteilhaft, lieferte ein etwas gröberes Ergebnis. Diese Erkenntnisse bieten Herstellern einen klaren Leitfaden: Wenn das Ziel darin besteht, dünne Aluminiumstreifen so stark und hart wie möglich zu machen, ist der einkanalige Pressweg die effizientere Wahl. Die Forschung unterstreicht, wie die spezifische Geometrie eines Werkzeugs die endgültige Qualität eines Materials bestimmen kann und bietet einen präzisen Weg, Metalle für anspruchsvolle industrielle Anwendungen maßzuschneidern.